“人造衛(wèi)星”是歷年必考的內(nèi)容,它不僅是中的重點、熱點、難點,同時也是廣大考生感到棘手的問題之一。
因此對該熱點的內(nèi)容要引起足夠的重視。
一、萬變不離其宗,掌握一個“金字塔”
人造衛(wèi)星的問題涉及的關(guān)系較多,如衛(wèi)星線速度同軌道半徑的關(guān)系,周期同半徑的關(guān)系,求人造衛(wèi)星(天體)質(zhì)量等問題。在復(fù)習(xí)時應(yīng)注意到衛(wèi)星的題目雖然千變?nèi)f化,但是有兩點卻是最基本的不變的關(guān)系:(1)萬有引力作為向心力。因此必須明確,只要看到有關(guān)衛(wèi)星(天體)的題目,均可視其作勻速圓周運動,衛(wèi)星(天體)必然受到向心力,向心力是由萬有引力提供的,即抓住公式:,進而結(jié)合向心加速度的不同表達式,推導(dǎo)出已知量與未知量的關(guān)系。(2)若題目告訴星球表面重力加速度,解題時要利用另一個結(jié)論:在星球表面物體受到重力與星球?qū)π乔虮砻嫖矬w萬有引力大小近視相等。即抓住公式:,推導(dǎo)出星球質(zhì)量、星球半徑與星球表面加速度的關(guān)系。綜上所述:我們可用一個“金字塔”直觀地表達這兩個關(guān)系,如圖1所示。
只要能將此金字塔理解,并能靈活應(yīng)用,就會對這些問題迎刃而解。
二、在討論衛(wèi)星問題時,弄明白幾個疑點問題
1.人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與環(huán)繞速度有何區(qū)別?
我們知道,地球上的任何物體都要受到地球?qū)λ娜f有引力的作用,要把人造地球衛(wèi)星從地面發(fā)射進入一定的軌道而繞地球運行,必須使人造衛(wèi)星克服地球?qū)λ艽蟮娜f有引力,也就是發(fā)射時必須使人造衛(wèi)星具有一定的動能,即具有一定的速度,這個速度就是人造衛(wèi)星的發(fā)射速度。越要使人造衛(wèi)星在遠聲地球的軌道上運行,那么人造衛(wèi)星為克服地球?qū)λ娜f有引力而做的功越多,人造衛(wèi)星應(yīng)該具有的能量就越大,也就是說人造衛(wèi)星的發(fā)射速度應(yīng)越大。
當(dāng)人造衛(wèi)星進入一定的軌道而繞地球運行時,人造衛(wèi)星的運行速度就是人造衛(wèi)星的環(huán)繞速度,這個速度可應(yīng)用地球?qū)θ嗽煨l(wèi)星的萬有引力提供人造衛(wèi)星繞地球作畫周運動的向心力而確定,有簡得。
人造衛(wèi)星越在遠離地球的軌道上運行,人造衛(wèi)星的環(huán)繞速度就越小。
從能量的轉(zhuǎn)化和守恒的角度,欲使人造衛(wèi)星進入遠離地球的軌道上運行,發(fā)射速度應(yīng)當(dāng)越大,其發(fā)射時動能應(yīng)越大,用來克服地球?qū)λ娜f有引力而做的功越多,人造衛(wèi)星獲得重力勢能就越大,人造衛(wèi)星運行時的動能就越小,其環(huán)繞速度就越小,也就是人造衛(wèi)星發(fā)射時的動能大部分轉(zhuǎn)變成了其重力勢能,只有少部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽煨l(wèi)星繞地球運行時的動能。
2.衛(wèi)星在轉(zhuǎn)換軌道過程中機械能是否守恒?衛(wèi)星速度減小,能自行進入半徑更大的軌道嗎?
根據(jù),即衛(wèi)星做圓周運動的線速度與軌道半徑是一一對應(yīng)的,所以確定的圓軌道上運行的衛(wèi)星其動能和重力勢能是確定的,不同圓軌道上運行的衛(wèi)星的機械能是不同的,上面已討論機械能隨半徑的增大而增大,所以衛(wèi)星運轉(zhuǎn)的半徑越大,發(fā)射所需的能量越大,發(fā)射就越困難。因此,衛(wèi)星轉(zhuǎn)換軌道,一定是在外力作用下完成的。如高空運行的衛(wèi)星受稀薄空氣的影響,將損失一些機械能,如不及時補充和校正,將會從高軌道逐漸移向低軌道;如果要使軌道的半徑增大,就得通過外力克服引力做功,使衛(wèi)星機械能增加才能達到目的。所以,衛(wèi)星運行的軌道半徑改變了,其機械能一定改變。如果衛(wèi)星速度減小了,將因動能減小引起機械能減少而落入對應(yīng)的低軌道運行,絕不可能自行移到高軌道上去 高中物理,因此判斷衛(wèi)星軌道的變化情況不能單純以為依據(jù),而應(yīng)同時考慮能量情況。例如,在某一軌道上做圓周飛行的航天飛機,要想追上另一高軌道上圓周運行的航天器,就需在低軌道加速,再向高軌道飛行,飛行過程中因加速增加的動能再逐漸轉(zhuǎn)化成重力勢能,使速度最終減小到對應(yīng)高軌道上所需數(shù)值。
3.地球同步衛(wèi)星如何發(fā)射?為何總是定點在赤道上空,也即其軌道平面為何一定在赤道平面內(nèi)?
從近幾年的高題來看,考查有關(guān)地球同步衛(wèi)星的題目較多。地球同步衛(wèi)星的題目主要涉及到發(fā)射問題以及定軌道、定周期、定高度的問題。以下對這些問題進行討論:
同步衛(wèi)星的發(fā)射,先是將同步衛(wèi)星送至近地軌道運行,運行狀態(tài)穩(wěn)定后在近地軌道上適當(dāng)?shù)奈恢�,通過自動裝置啟動衛(wèi)星上的發(fā)動機并調(diào)整方向,使衛(wèi)星做橢圓軌道運動,橢圓軌道的遠地點距地心的距離等于同步軌道半徑,達到同步軌道后再進行速度和方向的調(diào)整,就可使衛(wèi)星進入同步軌道運行,如圖2所示。同步衛(wèi)星指定位于赤道上空一定高度上環(huán)繞地球做圓周運動的航天器,其運動周期和角速度都等于地球自轉(zhuǎn)周期和角速度,所以相對地球靜止不動,與地球運動同步。物體可在地球表面不同緯度處隨地球自轉(zhuǎn)運動,但衛(wèi)星同步軌道只能在赤道平面內(nèi)確定的高度處。假設(shè)衛(wèi)星處在如圖3所示的軌道上,將因向心力沒有指向地球中心而使萬有引力產(chǎn)生“重力”,最終將衛(wèi)星移動在赤道平面內(nèi)運動。
三、注重學(xué)科間的滲通、交叉和結(jié)合
隨著高考改革,理科綜合高考卷中,學(xué)科間綜合有所加強,因此要求我們在教學(xué)中必須充分利用學(xué)科間知識的聯(lián)系,培養(yǎng)對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用,要關(guān)注學(xué)科間知識的滲透,讓學(xué)會一門或多門知識,全方位,多角度地去認(rèn)識自然現(xiàn)象,使之具有整體觀念。
總之,通過對歷年高考的分析和分類,使學(xué)生掌握一個“金字塔”,弄明白幾個疑點問題,注重學(xué)科間知識的滲透,無論是對提高教學(xué)質(zhì)量還是對搞好高考復(fù)習(xí)都有一定的幫助。
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